自制法拉第杯測微小顆粒電荷量

2013-05-03 11:03:14曾育鋒程倍珊

實驗技術與管理 2013年4期

曾育鋒，程倍珊

（華南師范大學物理與電信工程學院，廣東廣州 510006）

日常生活中，靜電除塵、靜電分選和靜電復印等領域都需要對粉體或者是塵粒進行荷電。測量出不同粉體的荷電量，對上述技術和設備的應用的改進具有十分重要的意義。本實驗中使用自制的利用電暈放電原理的荷電系統對微小顆粒進行荷電，配合使用法拉第杯的方法對荷電后的顆粒進行荷電量的測量。

1 基本原理

1.1 荷電系統

采用電暈放電的方法對微粒進行荷電［1］，其裝置如圖1所示。在兩電極間加上自制的500kV高壓電場［2］，并將陰極板接地，陽極板作為尖端，與陰極板之間形成火花放電而電離空氣，產生大量的正離子和負離子，負離子受到陽極板吸引而向陽極板運動，負離子被導入地下；正離子在加速電場的作用下加速運動，當微粒進入電暈電場時，微粒與運動的帶電離子碰撞并俘獲這些自由離子而荷電［3］。

圖1 荷電系統

1.2 測量系統

根據靜電計原理設計法拉第杯［4］，測量經過高壓離子荷電系統荷電之后的帶電微粒的電量。

1.2.1 法拉第杯工作原理

根據靜電計原理［5］，法拉第杯由不銹鋼制成，如圖2所示。內筒高16cm、直徑為5.5cm，外筒高18cm、直徑6cm。內外筒間由一層絕緣木塊隔開，使內外筒有均勻間隙。法拉第杯與測試電路之間通過BNC接頭（同軸電纜連接器）連接起來。帶電微粒進入法拉第杯后，由于接觸起電，會使內筒帶電，內外筒之間產生電勢差，通過電纜屏蔽線將電壓信號傳給測量電路［6］。帶電的微粒進入法拉第杯的內杯中，引起測量線路中的電容器C0充電［7］，使內外筒上的電壓V0發生變化。由于測量部分中采用場效應管運算放大器電路，電容器上將產生與粉體同樣的電荷量，因此可由測量電壓V0來測定粉體帶電量Q0，Q0＝C0V0。

圖2 法拉第杯

1.2.2 電路工作原理

本裝置利用儀用放大器［8］，將法拉第筒中的電壓信號V0放大。本裝置中的放大電路放大倍數為3 000倍，將電壓信號V0由mV級放大到V級。同時利用單片機內置的AD芯片采樣［9］，將模擬信號通過AD轉換成數字信號，經過單片機處理，利用液晶顯示出電壓與總電量。

圖3為系統實物圖。

圖3 系統實物圖

2 測量流程

儀器由微粒發生器、荷電系統、微粒收集器、法拉第杯以及電天平和運放電路組成，系統流程如圖4所示。微粒（實驗用沙子）由微粒發生器進入荷電系統后，與高壓電場電暈放電產生的正離子碰撞帶電，積累在微粒收集器中，積累一定量微粒后，打開閘門后微粒進入法拉第杯，由于接觸起電［10］，內外筒之間形成電勢差，電壓信號傳遞給運放電路，經過單片機處理輸出微粒總的帶電量Q0；由電子天平測出微粒的總質量，結合定標曲線即可得出微粒數目，進而得到單個微粒的帶電量。